DE3635275C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie für Ionenmikro­ analyse, Ionenmikrodotierung, Ionenstrahlschreiben und ähnliches Anwendung findet, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
Aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 60-74249 (Patents Abstracts of Japan, E-338, 24. August 1985, Band 9, Nr. 208) ist eine derartige Mikroionenstrahl-Vorrichtung mit einer Ionenquelle und einem Strahlfokussiersystem bekannt. In dem Strahlfokussiersystem sind zwischen zwei Stufen von Fokussier­ linsen ein Massenseparator und eine Massenseparator-Blende vorgesehen. Der Massenseparator ist dabei aus zwei Wien-Filtern aufgebaut, d. h. E×B-Ablenkeinheiten, die ein elektrisches Feld sowie ein magnetisches Feld jeweils in einer Richtung senkrecht zur ionenoptischen Strahlachse erzeugen. Durch das Strahlfokussiersystem werden die von der Ionenquelle emit­ tierten Ionen beschleunigt, fokussiert, einer Massenseparation unterzogen und als ein resultierender Mikroionenstrahl gezielt auf die Oberfläche einer Probe gerichtet.
Mit einer Mikroionenstrahl-Vorrichtung ist es möglich, Proben mit einem auf einen Strahldurchmesser von etwa 1 µm oder weniger fein fokussierten Ionenstrahl abzutasten wie es insbesondere für Mikroherstellungsprozesse für Halbleiterbauelemente erforderlich ist. Die Ionenquelle besteht gewöhnlich aus einer optischen Punktquelle mit einer hohen Helligkeit, wie einer Flüssigmetall-Ionenquelle, einer Feldionisations- Ionenquelle, einem Duoplasmatron oder ähnlichem. Insbesondere, wenn man verschiedene Arten von Ionen erhält, beispielsweise bei Verwendung der Flüssigmetall- Ionenquelle, die eine Legierung in ionisierte Stoffe umwandelt, ist es notwendig, einen Massenseparator einzusetzen, um Ionen der gewünschten Art auszuwählen und zu separieren.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Mikroionenstrahl-Vorrichtung, die im wesentlichen aus folgenden Baugruppen besteht: einer Ionenquelle 2 mit einer hohen Helligkeit, elektrostatischen Linsen 3 und 4, die einen von der Quelle emittierten Ionenstrahl 15 so fokussieren, daß eine Überkreuzungsspur 14 längs einer optischen Achse 1 auf Bilder 13 und 13′ abgebildet wird, einer elektrostatischen Ablenkeinheit 5, die den Ionenstrahl auf einen Probenträger 6 ablenkt, und einem E × B-Massenfilter 7, d. h. einem zwischen den zwei elektrostatischen Linsen 3 und 4 installierten Massenseparator. Der E × B-Massenfilter 7 besteht aus einer E × B-Ablenkeinheit 12, die aus Elektroden 8a, 8b sowie einem magnetischen Pol 9a für die Massenseparation des Ionenstrahls aufgebaut ist, und aus einer Massenseparator-Blende 10, um ausschließlich gewünschte Ionen herauszuführen. Eine Blende oder Lochscheibe 11 beschränkt den Ionenstrahlstrom.
Der Massenseparator in einer Mikroionenstrahl-Vorrichtung sollte eine hohe Massenauflösung haben, um Ionen nicht gewünschter Art zu entfernen, und sollte gleichzeitig die Strahlfokussierleistung nicht negativ beeinflussen. Das als Massenseparator verwendete E × B-Massenfilter 7 ermöglicht die lineare Anordnung des optischen Systems und vereinfacht die Ausführung des Aufbaus und der Achsenausrichtung. Dieses E × B-Massenfilter 7 kann jedoch aufgrund der chromatischen Aberration nicht gleichzeitig die zwei oben­ genannten Anforderungen hinreichend erfüllen. Die Gründe dafür werden im folgenden kurz erläutert.
Ein Beispiel für die Verwendung eines E × B-Massenfilters ist in der Veröffentlichung von Ishitani et al., "Mass-Separated Microbeam System with a Liquid-Metal-Ion Source", Nucl. Instr. and Meth. 218 (1983), S. 363 bis 367,gezeigt.
Zuerst wird das Arbeitsprinzip des E × B- Massenfilters unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Zu den Grundbauelementen des E × B-Massenfilters gehört eine E × B- Ablenkeinheit 12, die aus einem Paar Elektroden 8a, 8b sowie einem Paar magnetischer Polschuhe 9a, 9b (9b ist nicht dargestellt) besteht, um in den Richtungen senkrecht zur ionenoptischen Achse 1 ein elektrisches Feld E bzw. ein magnetisches Feld B zu erzeugen, sowie eine Massenseparator- Blende 10 in einer nachfolgenden Stufe. Die bei einer Beschleunigungsspannung V0 längs der ionenoptischen Achse 1 einfallenden Ionen bewegen sich geradlinig fort und treten durch die Massenseparator-Blende 10, wenn sie folgender Bedingung genügen:
(2eV0/m)1/2 = E/B (1)
Andererseits werden Ionen, deren Massen von m um Δm abweichen, an der Blende 10 um ΔXm im Richtung des elektrischen Feldes E von der optischen Achse 1 abgelenkt, wobei
ΔXm = (Δm/m) (E/V0) Lm (Ld + Lm/2) /4 (2)
Ist die Energiestreubreite der emittierten Ionen der Ionenquelle ΔV, werden auch Ionen mit der Masse m um ΔXc abgelenkt.
Das wird dann wichtig, wenn die Beschleunigungsspannung niedrig ist oder wenn als Ionenquelle aus eine Flüssigmetall- Ionenquelle mit einer großen Energiestreubreite verwendet wird. Dabei gilt:
ΔXc = (ΔV/V0) Lm (Ld + Lm/2) /4 · (E/V0) (3)
Aus der obigen Gleichung (2) läßt sich die Massenauflösung (m/Δm) des E × B-Massenfilters folgendermaßen definieren:
(m/Δm) = Lm/γA (E/V0) (Ld + Lm/2) /4 (4)
wobei γA die Weite der Blende 10 bezeichnet.
Daneben besteht ein oberer Grenzwert in der Massenauflösung, da der Strahl an der Blende 10 aufgrund eines endlichen Öffnungswinkels des einfallenden Ionenstrahls eine bestimmte Breite hat. Das heißt, wenn in der Gleichung (4) γA ≃ d gilt, bezeichnet d die Strahlbreite. Die Massenauflösung des E × B-Massenfilters ist daher durch das optische System der vorhergehenden Stufe beeinflußt.
Das obengenannte Problem wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, die ein E × B-Massenfilter darstellt, wie es in einer praktischen Mikroionenstrahl- Vorrichtung Anwendung findet. Die Fig. 3A und 3B verdeutlichen einen Fall, in dem der einfallende Ionenstrahl 15 durch die Linse der nicht gezeigten vorhergehenden Stufe auf die Mittenfläche 21 der E × B-Ablenkeinheit 12 fokussiert ist (Fig. 3B), sowie einen Fall, in dem der einfallende Ionenstrahl 15 auf die Massenseparator-Blende 10 fokussiert ist (Fig. 3A).
Im Fall nach Fig. 3B ist der austretende Strahl 16 aufgrund des Wertes ΔXc nach Gleichung (3) geringfügig aufgespreizt, wie mit Bezugsziffer 18 angegeben. Die Strahlfokussierleistung ist jedoch nicht negativ beeinflußt, da die chromatische Aberration am Brennpunkt 13 aufgehoben ist (vgl. dazu im einzelnen die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 7 550/1985 oder H. Liebl, "Beam Optics in Secondary Ion Mass Spectrometry", Nuclear Instruments and Methods 187 (1981) S. 143 bis 151). Die Massenauflösung ist jedoch relativ klein. Im Fall nach Fig. 3A hat der Wert ΔXc nach Gleichung (3) als chromatische Aberration an den Brennpunkten 13, 13′ die Wirkung, daß die Strahlfokussierleistung beträchtlich verschlechtert wird. Insbesondere verändert sich der Wert ΔXc nicht in Abhängigkeit vom Öffnungswinkel des Strahls und kann nicht beseitigt werden, selbst wenn die Blende auf der Rückseite der Linse 4 eingefügt wird. Der Strahl ist jedoch auf die Massenseparator-Blende 10 fokussiert, und der Strahldurchmesser ist annähernd gleich ΔXc. Die Massenauflösung ist daher größer als im Fall nach Fig. 3B.
Unter Verwendung des oben beschriebenen herkömmlichen E × B-Massenfilters war es nicht möglich, die chromatische Aberration zu beseitigen sowie gleichzeitig eine hohe Massenauflösung und eine hohe Strahlfokussierleistung zu erzielen.
Um dieses Problem zu lösen, wurde eine Anordnung beschrieben, in der ein Massenseparator aus Magnetfeldfiltern in vier Stufen Anwendung findet (P. D. Prewett, Vacuum, 34, (1984) S. 931 bis 939). Dieses System kann die chromatische Aberration beseitigen, kann den Strahl auf die Massenseparator-Blende fokussieren und bietet die Wahrscheinlichkeit für eine hohe Massenauflösung. Da in diesem Fall die Ionenflugbahn aufgrund des magnetischen Feldes jedoch stark von der geraden Linie abweicht, wird der Astigmatismus groß (in den vorhergehenden und nachfolgenden Stufen müssen Astigmatismus-Korrektureinheiten vorgesehen werden). Daneben schwankt die Massenauflösung stark nicht nur in Abhängigkeit von der Größe der Massenseparator- Blende, sondern auch von ihrer Position, und es wird schwierig, die Massenauflösung festzusetzen. Bei diesem Massenseparator muß daneben das magnetische Feld unter Verwendung von Elektromagneten verändert werden, die mit geringen Abmessungen schwierig anzuordnen sind.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, eine Mikroionenstrahl-Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Massenauflösung hat und mit einem Massenseparator versehen ist, der dem Strahl eine geringe chromatische Aberration verleiht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer gattungsge­ mäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Aufgrund dieses charakteristischen Aufbaus fokussiert der Massenseparator der Mikroionenstrahl-Vorrichtung den Strahl auf die Massenseparator-Blende, so daß ohne Erzeugung einer chromatischen Aberration die Massenauflösung maximiert wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
Der Patentanspruch 4 betrifft ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines optischen Systems in einer herkömmlichen Mikroionenstrahl- Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Prinzips eines E × B-Massenfilters;
Fig. 3A und 3B Diagramme zur Erläuterung der Betriebsweise eines E × B-Massenfilters;
Fig. 4 eine Längsschnittansicht eines optischen Systems in dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl- Vorrichtung; und
Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Betriebs des Massenseparators in dem Ausführungsbeispiel.
Zuerst wird das Prinzip der Erfindung in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben, die schematisch einen Massenseparator in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung darstellt. In den in vier Stufen angeordneten E × B-Ablenkeinheiten 12a, 12b, 12c und 12d sind die Richtungen des jeweils magnetischen Feldes Bn und elektrischen Feldes En entsprechend der Fig. gewählt. Die Intensitäten der Felder genügen folgender Beziehung:
Ein Ion mit einer Masse m und einer Beschleunigungsenergie eV0, das längs einer ionenoptischen Achse 1 auf den Massenseparator auftrifft, bewegt sich geradlinig entlang der ionenoptischen Achse fort und tritt auf dieser Achse 1 durch die Massenseparator-Blende 10. Im folgenden sind die Längen der E × B-Ablenkeinheiten 12a, 12b, 12c und 12d in Richtung der ionenoptischen Achse 1 mit L1, L2, L3 bzw. L4, der Abstand zwischen den Mittelflächen der E × B-Ablenkeinheit 12a und der E × B-Ablenkeinheit 12b ist mit L12, und der Abstand zwischen den Mittenflächen der E × B-Ablenkeinheit 12c und der E × B-Ablenkeinheit 12d ist mit L34 bezeichnet.
Weiterhin gelten die folgenden Beziehungen:
E1 · L1 = E2 · L2 (6)
E3 · L3 = E4 · L4 (7)
E1 · L1 · L12 = E3 · L3 · L34 (8)
Ein Ion mit einer Masse, die sich um Δm von der Masse m unterscheidet, wird an der Massenseparator-Blende 10 in Richtung des elektrischen Feldes E2 um
unter denselben Bedingungen durch die E × B-Ablenkeinheiten 12a und 12b abgelenkt. Dadurch erfolgt eine Massenseparation durch die Massenseparator-Blende 10.
Andererseits wird ein Ion mit der Beschleunigungsenergie e (V0 + ΔV) und der Masse m an der Massenseparator- Blende 10 in Richtung des elektrischen Feldes E2 geringfügig um
unter denselben Einfallsbedingungen durch die E × B-Ablenkeinheiten 12a und 12b abgelenkt, was auf die Energiestreubreite der von der Ionenquelle emittierten Ionen zurückzuführen ist. Wenn die Öffnung der Massenseparator-Blende 10 jedoch größer als ΔXc gewählt ist, tritt das Ion durch die Blende und wird durch die E × B-Ablenkeinheiten 12c und 12d auf die ionenoptische Achse 1 zurückversetzt. In der auf den Massenseparator folgenden Stufe wird daher durch den Massenseparator keine chromatische Aberration hervorgerufen. Wenn der einfallende Ionenstrahl durch die nicht gezeigten vor- und nachgeschalteten Linsen auf die Massenseparator-Blende 10 fokussiert wird, zeigt der Massenseparator eine maximale Massenauflösung ohne chromatische Aberration, die durch folgende Beziehung gegeben ist:
In obiger Gleichung bezeichnet das Symbol d den Durchmesser des einfallenden Ionenstrahls an der Position der Massenseparator-Blende 10, wenn kein Massenseparator vorgesehen ist. Der Ausdruck γA bezeichnet die Größe der Öffnung der Massenseparator- Blende 10.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert.
Fig. 4 zeigt eine Mikroionenstrahl-Vorrichtung, die mit einem Massenseparator 18 versehen ist, der aus vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten 12a, 12b, 12c und 12d gleicher Größe, die zwischen zwei Stufen von Linsen 3 und 4 in dem Strahlfokussiersystem angeordnet sind, sowie aus einer Massenseparator-Blende 10 aufgebaut ist, die eine Öffnung auf der ionenoptischen Achse 1 hat.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Linse 3 so eingestellt, daß ein Ionenstrahl 15 auf einen Brennpunkt 13 auf der Massenseparator-Blende 10 fokussiert wird, und die Linse 4 ist so eingestellt, daß ein Bild des Brennpunktes 13 auf der Massenseparator-Blende 10 auf einen Brennpunkt 13′ auf dem Probenträger 6 projeziert wird.
Der Massenseparator 18 weist die vier Stufen von E × B- Ablenkeinheiten 12a, 12b, 12c und 12d auf, die jeweils aus Elektroden 19a, 19a′; 19b, 19b′; 19c, 19c′ bzw. 19d, 19d′ sowie aus Polschuhen 20a, 20b, 20c bzw. 20d aufgebaut sind. Die elektrischen Felder und die magnetischen Felder im Massenseparator 18 haben die in Fig. 5 dargestellten Richtungen und sind so eingestellt, daß gilt: E1 = E2 = E3 = E4 = E und B1 = B2 = B3 = B4 = B. In diesem Fall sind sämtliche magnetischen Polschuhe 20a, 20b, 20c und 20d aus Permanentmagneten aufgebaut, die Intensität des Magnetfeldes ist fest, und die Art der Ionen wird durch Veränderung der Intensität E des elektrischen Feldes gewählt. Daher kann sich nur das Ion mit der Masse
geradlinig auf der ionenoptischen Achse 1 fortbewegen und kann unter Beibehaltung einer Massenauflösung
einer Massenseparation unterzogen werden (Symbole wie in Gleichung (6) definiert).
Die durch die Energiestreubreite der von der Ionenquelle emittierten Ionen hervorgerufene Strahlaufspreizung ΔXc an der Massenseparator-Blende 10 wird auf den Anfangswert zurückgestellt, wenn die Ionen den Massenseparator verlassen haben. Mit konkreten Zahlenwerten berechnet sich die durch die Energiestreubreite der von der Ionenquelle emittierten Ionen hervorgerufene Strahlaufspreizung ΔXc an der Massenseparator-Blende 10 für m = 71 folgendermaßen:
d + ΔXc ≃ d
mit: B = 0,5 T, L1 = 25 mm, L12 = 40 mm, V0 = 100 kV, ΔV = 20 V, d = 1 µm.
Gilt für die Größe der Öffnung der Massenseparator-Blende 10 γA = 5 µm, dann gilt γA ≦λτ d + ΔXc, und die Massenauflösung nimmt folgende Größe an:
Nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel zeigt der Massenseparator in der Mikroionenstrahl-Vorrichtung eine hohe Massenauflösung, ohne eine chromatische Aberration zu entwickeln, was zu einer Steigerung der Strahlfokussierleistung beiträgt. Daneben finden im Massenseparator nach diesem Ausführungsbeispiel keine Elektromagneten Anwendung. Die Massenseparation kann daher mit hoher Geschwindigkeit gesteuert, und die Mikroionenstrahl- Vorrichtung kann mit geringen Abmessungen aufgebaut werden, um den Verbrauch elektrischer Leistung zu verringern.
Im obigen Ausführungsbeispiel fanden vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten 12a, 12b, 12c und 12d mit derselben Größe Anwendung. Unter der Voraussetzung, daß die Beziehungen nach den Gleichungen (6) bis (8) erfüllt sind, lassen sich dieselben Wirkungen jedoch auch dann erzielen, wenn sich die Abmessungen der vier Stufen der E × B-Ablenkeinheiten unterscheiden.
Die magnetischen Polschuhe in den E × B-Ablenkeinheiten 12a bis 12d der vier Stufen sind nach dem obigen Ausführungsbeispiel aus Permanentmagneten aufgebaut. Die magnetischen Polschuhe können jedoch auch durch Elektromagneten ersetzt werden, oder Elektromagneten für die Korrektur können daran angebracht werden, um dieselben Wirkungen zu erzielen.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Massenseparator- Blende 10 auf der ionenoptischen Achse 1 ausgebildet. Die Position der Massenseparator-Blende 10 kann jedoch auch geringfügig in Richtung des elektrischen Feldes E1 versetzt werden, womit dieselbe hohe Massenauflösung und dieselbe Wirkung bezüglich der Beseitigung der chromatischen Aberration erhalten werden kann.
Der Massenseparator nach vorliegender Erfindung zeigt eine hohe Massenauflösung und eine geringe chromatische Aberration, wodurch die Mikroionenstrahl-Vorrichtung eine erhöhte Leistung liefert (gesteigerte Strahlreinheit und erhöhte Strahlfokussierleistung).
In der erfindungsgemäßen Mikroionenstrahl-Vorrichtung wird im Massenseparator kein Elektromagnet benötigt, was zu einer Verringerung der Abmessungen und des Verbrauchs elektrischer Leistung beiträgt.

Claims (4)

1. Mikroionenstrahl-Vorrichtung mit einer Ionenquelle (2), einem Strahlfokussiersystem (3, 4, 5, 18), das zumindest zwei Stufen von Fokussionslinsen (3, 4), zwischen denen ein Massenseparator (18) mit einer Massenseparator-Blende (10) angeordnet ist, und das die von der Ionenquelle (2) emittierten Ionen beschleunigt, fokussiert, einer Massenseparation unterzieht und ablenkt, sowie mit einem Probenträger (6) für die Feinbewegung einer Probe, wobei der Massenseparator (18) aus E × B-Ablenkeinheiten (12a bis 12d) aufgebaut ist, die jeweils ein Paar von Elektroden (19a, 19a′; . . .; 19d, 19d′) sowie ein Paar von magnetischen Polschuhen (20a bis 20d) aufweisen, um ein elektrisches Feld (E1 bis E4) sowie ein magnetisches Feld (B1 bis B4) in Richtungen senkrecht zur ionenoptischen Achse (1) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß vier Stufen von E × A-Ablenkeinheiten (12a bis 12d) vorgesehen sind;
daß die von den E × B-Ablenkeinheiten der zweiten und dritten Stufe (12b, 12c), gezählt von der Seite der Ionen­ quelle (2), erzeugten elektrischen Felder (E2, E3) und magnetischen Felder (B2, B3) so ausgerichtet sind,
daß sie parallel, jedoch entgegengesetzt zu dem von der E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe (12a) erzeugten elektrischen Feld (E1) bzw. magnetischen Feld (B1) verlaufen;
daß das elektrische Feld (E4) und das magnetische Feld (B4) der E × B-Ablenkeinheit der vierten Stufe (12d) so aus­ gerichtet sind, daß sie parallel zu dem von der E × B-Ablenk­ einheit der ersten Stufe (12a) erzeugten elektrischen Feld (E1) bzw. magnetischen Feld (B1) sowie in denselben Richtungen wie diese verlaufen;
daß die elektrischen Felder (E1 bis E4) und magnetischen Felder (B1 bis B4) der E × B-Ablenkeinheiten der vier Stufen (12a bis 12d) solche Intensitäten haben, daß ein längs der ionenoptischen Achse (1) auf die E × B-Ablenkeinheit der ersten Stufe (12a) auftreffender Ionenstrahl (15) längs der ionenoptischen Achse (1) aus der E × B-Ablenkeinheit der vierten Stufe (12d) austritt; und
daß die Massenseparator-Blende (10) zwischen den E × B-Ablenkeinheiten der zweiten und der dritten Stufe (12b, 12c) angeordnet ist.
2. Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Polschuhe (20a bis 20d) der vier Stufen von E × B-Ablenkeinheiten (12a bis 12d) aus Permanentmagneten aufgebaut sind.
3. Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Stufen von E × B-Ablenk­ einheiten (12a bis 12d) im wesentlichen dieselbe Größe haben und im wesentlichen dasselbe elektrische und magnetische Feld erzeugen.
4. Verfahren zum Betrieb einer Mikroionenstrahl-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Ablenkung jeder der E × B-Ablenkeinheiten (12a bis 12d) durch Veränderung der elektrischen Feldintensität (E1 bis E4) eingestellt wird.
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